本文選題：煤與瓦斯突出 + 粉化煤體�。� 參考：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)過程中遇到的一種極其復(fù)雜的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象,表現(xiàn)為在極短的時(shí)間內(nèi)由煤體向采掘空間突然拋出大量的煤巖、瓦斯形成粉煤-瓦斯氣固兩相流動(dòng)。此過程通常還伴隨有強(qiáng)烈的煤體粉化現(xiàn)象,并形成粉化—快速解吸—繼續(xù)粉化—進(jìn)一步快速解吸的正反饋機(jī)制,推動(dòng)突出在巷道內(nèi)的發(fā)展。對(duì)突出粉煤-瓦斯流形成機(jī)制、運(yùn)動(dòng)特征以及煤體粉化在推動(dòng)突出發(fā)展中所起作用開展相關(guān)研究,對(duì)于豐富和完善突出機(jī)理,指導(dǎo)礦井的防突工作具有重要意義。本文以巖石力學(xué)、表面物理化學(xué)和兩相流體動(dòng)力學(xué)理論為指導(dǎo),采用理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究手段,通過對(duì)煤樣粉化前后的基礎(chǔ)物性參數(shù)、孔隙結(jié)構(gòu)和瓦斯吸附/解吸性能開展精細(xì)定量化表征,獲得了粉化作用對(duì)煤樣孔隙結(jié)構(gòu)的損傷特征并構(gòu)建了粉煤初始瓦斯解吸動(dòng)力學(xué)模型。另外,利用數(shù)值模擬和相似模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)突出發(fā)展過程中含瓦斯煤體粉化機(jī)制以及突出粉煤-瓦斯兩相流在巷道中的運(yùn)動(dòng)特征開展相關(guān)研究,并對(duì)含瓦斯煤體粉化與快速解吸在推動(dòng)突出發(fā)展中的作用進(jìn)行了分析。本文的主要研究結(jié)論如下:1)采用DEM-CFD模擬對(duì)突出煤體破碎粉化特點(diǎn)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)突出發(fā)展過程中巷道內(nèi)部存在兩種碰撞粉化形式,分別是高頻低速的顆粒間碰撞和低頻高速的顆粒-壁面間碰撞。上述兩種碰撞作用都會(huì)導(dǎo)致煤體的粉化破碎,前者的粉碎產(chǎn)物以大粒徑煤顆粒為主,后者以小粒徑煤粉為主。隨著突出強(qiáng)度增大和拋出煤量的增加,顆粒間碰撞作用越來越占據(jù)主導(dǎo)地位,突出煤體的粉化也隨之變得更加明顯,相似模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)得到的最大粉化比例達(dá)8.14%(突出壓力0.5MPa)。2)粉化前后,煤的基礎(chǔ)成分構(gòu)成(水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳等)并無(wú)顯著改變,但是其孔隙結(jié)構(gòu)卻發(fā)生明顯變化。采用物理吸附法對(duì)粉碎前后煤的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量表征,結(jié)果顯示由于次生孔隙結(jié)構(gòu)的引入,煤的比表面積/孔容均隨粉化程度的增加而增長(zhǎng);0.074mm煤樣的比表面積/孔容相比于1-3mm煤樣增加了數(shù)倍至數(shù)十倍不等。當(dāng)煤被粉碎到0.074mm后,部分煤樣的比表面積/孔容數(shù)值發(fā)生突變,表明這些煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)損傷特征已從局部損傷發(fā)展為全面破壞,同時(shí)也從側(cè)面說明了煤的基質(zhì)尺度大小與其變質(zhì)程度密切相關(guān)。3)粉化前后煤樣孔隙結(jié)構(gòu)的改變對(duì)其瓦斯吸附/解吸具有顯著影響。隨著粉化程度增加,煤的瓦斯吸附量和130min累計(jì)解吸量Q_(130)均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)(臥龍湖無(wú)煙煤的影響較小)。煤樣初始瓦斯解吸能力考察結(jié)果還表明,0~5s的初始瓦斯解吸量5Q和第1min內(nèi)的瓦斯解吸量60Q占Q_(130)的比例隨粒徑的減小而增大。0.074mm煤樣的Q_5 Q_(130) 最大可達(dá)37.37%, Q_(60) Q_(130)最大可達(dá)66.67%;其余小粒徑煤樣的初始瓦斯解吸量也非常可觀(基本在30%左右,最大達(dá)53.99%)。粉煤的初始瓦斯快速解吸對(duì)于突出發(fā)動(dòng)瞬間煤體的拋出以及突出粉煤-瓦斯兩相流在巷道中的運(yùn)動(dòng)具有推動(dòng)作用。4)通過對(duì)煤樣0~60s初始瓦斯解吸特征的實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明絕大部分煤樣的初始瓦斯解吸量Q_t與解吸時(shí)間的平方根(?)呈高度線性關(guān)系。從上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象入手,基于球形擴(kuò)散模型和Fick第二擴(kuò)散定律構(gòu)建并推導(dǎo)得到了不同粒徑樣品在不同平衡壓力條件下的初始瓦斯解吸模型。模型經(jīng)解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證,具有較好的可靠性與實(shí)用性,可用于粉煤瓦斯解吸對(duì)突出發(fā)展影響的相關(guān)研究工作。5)采用自主研發(fā)的試驗(yàn)裝置對(duì)突出粉煤-瓦斯兩相流的結(jié)構(gòu)、形成機(jī)制和運(yùn)動(dòng)特征開展研究,結(jié)果表明突出粉煤和突出瓦斯氣流間復(fù)雜的氣固耦合作用導(dǎo)致粉煤-瓦斯流的流型、沖擊波超壓、運(yùn)動(dòng)速度、突出煤質(zhì)量分布及分選粉化特征均受到突出壓力和突出煤樣粒度構(gòu)成(模擬構(gòu)造應(yīng)力在突出發(fā)生前對(duì)煤體的破碎作用)的影響。突出壓力越大、突出煤樣中0.25mm煤粉比重越高(對(duì)應(yīng)突出煤體中構(gòu)造煤的比例越大),突出的強(qiáng)度就越大。特別是當(dāng)0.25mm粉煤的質(zhì)量比重超過2/3后,在較高的突出壓力條件下并受到煤中初始瓦斯快速解吸的影響會(huì)形成突出粉煤流的“自加速”現(xiàn)象,二次加速后的粉煤-瓦斯流在巷道中呈栓流輸送,以150kPa的流體靜壓為動(dòng)力在巷道中保持高速(30m/s)運(yùn)動(dòng),煤巖搬運(yùn)能力與破壞力顯著增強(qiáng)。6)采用弱吸附性氣體N_2作為對(duì)照組開展突出粉煤-瓦斯兩相流實(shí)驗(yàn),對(duì)煤中吸附的瓦斯氣體在突出中的作用進(jìn)行辨析。結(jié)果顯示煤中吸附瓦斯在突出發(fā)動(dòng)后的快速解吸對(duì)推動(dòng)突出發(fā)展具有顯著促進(jìn)作用,即便是初始瓦斯解吸速度相對(duì)較慢的大粒徑煤樣,受突出兩相流中煤體碰撞粉化促進(jìn)瓦斯解吸的影響,依然可以加強(qiáng)突出的強(qiáng)度及破壞力(突出相對(duì)強(qiáng)度增加4.51%~9.42%);小粒徑煤粉在突出發(fā)動(dòng)后的瓦斯快速解吸更可以誘導(dǎo)巷道中運(yùn)動(dòng)的粉煤 瓦斯兩相流形成自加速兩相流和栓流輸送現(xiàn)象,進(jìn)一步增強(qiáng)突出的強(qiáng)度和破壞力。7)依據(jù)突出過程需要滿足的能量條件,對(duì)含瓦斯煤粉化、快速解吸在推動(dòng)突出發(fā)展過程中的作用進(jìn)行了研究。結(jié)果表明煤中游離瓦斯和吸附瓦斯共同參與了突出過程,粉煤的初始瓦斯快速解吸特征在推動(dòng)突出發(fā)展的過程中起決定性作用;實(shí)際突出事故中,總能量的73.3%~89.95%是由粉煤的瓦斯快速解吸提供的。
[Abstract]:Coal and gas outburst is an extremely complex gas dynamic phenomenon encountered in coal mine production . It is characterized by a large amount of coal rock and gas - solid two - phase flow in a short period of time . Q _ ( 60 ) Q _ ( 130 ) is up to 66.67 % , and the initial gas desorption capacity of the remaining small particle size coal samples is also very substantial ( approximately 30 % , up to 53.99 % ) . 綺夌叅鐨勫垵濮嬬摝鏂揩閫熻В鍚稿浜庣獊鍑哄彂鍔ㄧ灛闂寸叅浣撶殑鎶涘嚭浠ュ強(qiáng)紿佸嚭綺夌叅-鐡︽柉涓ょ浉嫻佸湪宸烽亾涓殑榪愬姩鍏鋒湁鎺ㄥ姩浣滅敤.4)閫氳繃瀵圭叅鏍，

本文編號(hào)：2097631